Experimental Investigation of Reinforced Slopes in a Geotechnical Centrifuge and Deformation Measurement via Optical Fibre Sensors

Πειραµατική ιερεύνηση Οπλισµένων Πρανών σε Φυγοκεντριστή και Μέτρηση Παραµορφώσεων µέσω Αισθητήρων Οπτικών Ινών Experimental Investigation of Reinforced Slopes in a Geotechnical Centrifuge and Deformation Measurement via Optical Fibre Sensors ΚΑΠΟΓΙΑΝΝΗ, Ε. Πολιτικός Μηχανικός, Υποψήφια ιδάκτωρ Ε.Μ.Π., GSI Fellow LAUE, J. Dr. Civil Engineer, Senior Research Scientist, E.T.H Zurich ΣΑΚΕΛΛΑΡΙΟΥ, Μ. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Ε.Μ.Π. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Αντικείµενο της παρούσης εργασίας είναι η παρουσίαση πειραµάτων που διεξήχθησαν στον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή του ΕΤΗ Zurich, µε στόχο τη µέτρηση των παραµορφώσεων οπλισµένων πρανών µέσω αισθητήρων οπτικών ινών. Πρόκειται για σειρά πειραµάτων µε µοντέλα οπλισµένων πρανών ύψους 18cm και κλίσης 2V:1H, τα οποία φορτίστηκαν σε στάθµη της επιτάχυνσης της βαρύτητας (g-level) έως και 1g. Στα εν λόγω µοντέλα, πέραν της φόρτισης ιδίου βάρους εφαρµόσθηκε εξωτερική φόρτιση σε διάφορες θέσεις στην κορυφή αυτών και συγκεκριµένα ρίψη βράχων υπό κλίµακα µε στόχο να προσοµοιωθεί το φαινόµενο της βραχόπτωσης. ABSTRACT : The purpose of this study is to present a series of tests that were carried out in the drum geotechnical centrifuge of ETH Zurich, with main goal to measure the deformations of reinforced soil slopes via optical fibre sensors. The slope models that were examined were built outside the geotechnical centrifuge with a height of 18cm and face inclination 2V:1H and were loaded up to 1g. Apart from the self loading imposed in the geotechnical centrifuge, impact loading scenarios were applied on the slope models using model blocks, with main goal to investigate the response of the models against rockfall. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα οπλισµένα πρανή ανήκουν στην κατηγορία των συστηµάτων µηχανικής υποστήριξης εδαφικών κατασκευών όπου το έδαφος ενισχύεται µε σχετικά ελαφριά και ελαστικά υλικά µε µεγάλη εφελκυστική αντοχή. Ένα σταθερό πρανές µπορεί να κατασκευαστεί χωρίς οπλισµό µε γωνία κλίσης µικρότερη ή και ίση µε την εσωτερική γωνία τριβής του εδάφους. Ο οπλισµός ενισχύει τη διατµητική αντοχή της εδαφικής µάζας και η τριβή µεταξύ του εδάφους και του οπλισµού αποτρέπει τον οπλισµό από το να κινηθεί κατά τη διάρκεια της κατασκευής και µετά το πέρας αυτής. Ο µηχανισµός των οπλισµένων πρανών βασίζεται στην εφελκυστική αντοχή των στρώσεων του οπλισµού και συνεισφέρει σηµαντικά στην ευστάθεια των πρανών µε µικρές και µεγάλες γωνίες κλίσης και κυρίως όταν εφαρµόζονται σεισµικά και κινητά φορτία. Επιπλέον, λόγω της φύσης του εδάφους και της ύπαρξης των οπλισµών παρουσιάζονται συχνά κατά τη διάρκεια των φορτίσεων πεπερασµένες µετακινήσεις παρά πλήρης αστοχία και η παρακολούθηση και καταγραφή των µετακινήσεων αυτών µπορεί να δώσει σηµαντικές πληροφορίες για την ευστάθεια των πρανών. Προκειµένου να µελετηθεί η συµπεριφορά των οπλισµένων πρανών έναντι στατικής και δυναµικής φόρτισης, εφαρµόζονται αναλυτικές, υπολογιστικές και πειραµατικές µέθοδοι. Η µέθοδος οριακής ισορροπίας και η µέθοδος οριακής ανάλυσης, εφαρµόζονται συχνά προκειµένου να προκύψουν αναλυτικά απότελέσµατα. Επιπλέον, η υπολογιστική µεθο- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

δος των πεπερασµένων στοιχείων προσφέρει πλήρεις λύσεις για τη διερεύνηση των προβληµάτων οπλισµένης γης και η επιρροή µεταξύ των διεπιφανειών (εδάφους και εδάφους και οπλισµού) µπορεί να ληφθεί υπόψη στους υπολογισµους. Η πειραµατική διερεύνηση των οπλισµένων πρανών µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε την κατασκευή και φόρτιση µοντέλων σε φυσική κλίµακα καθώς και σε µικρή κλίµακα µε την εφαρµογή της τεχνολογίας των φυγοκεντριστών. Κατά τη διερεύνηση γεωτεχνικών µοντέλων σε φυγοκεντριστές, οι πρωτότυπες κατάσκευές µπορούν να µελετηθούν υπό κλίµακα σε ελεγχόµενο περιβάλλον όπου οι αναπτυσσόµενες τάσεις είναι αντίστοιχες µε αυτές των πρωτότυπων µοντέλων και οι κινηµατικά αποδεκτοί µηχανισµοί αστοχίας µπορούν να προσδιοριστούν. Βασική αρχή της λειτουργίας των γεωτεχνικών φυγοκεντριστών είναι η εφαρµογή επιπρόσθετων κεντροµόλων δυνάµεων στα υπό εξέταση µοντέλα µέσω της περιστροφής του φυγοκεντριστή, προκειµένου να αυξηθεί το ίδιο βάρος του εδάφους µε στόχο τη δηµιουργία κατανοµής τάσεων όµοια µε αυτή της πραγµατικότητας. Η δράση αυτή φαίνεται στo Σχήµα 1 (Springman et al. 21), όπου δύο είδη φυγοκεντριστών παρουσιάζονται: α) φυγοκεντριστής δοκού (beam centrifuge) µε καλάθι περιστροφής, όπου το πεδίο της επιτάχυνσης δρα στους άξονες των µοντέλων και β) φυγοκεντριστής µε τύµπανο (drum centrifuge) µε ενσωµατωµένο κανάλι. 2. ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΟΙ ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΣΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ 2.1 Τεχνολογία γεωτεχνικών φυγοκεντριστών Οι κυριότερες δυνάµεις που ασκούνται στις γεωτεχνικές κατασκευές και καθορίζουν την συµπεριφορά της εδαφικής µάζας είναι αυτές του ιδίου βάρους. Κατά την µοντελοποίήση των κατασκευών αυτών υπό κλίµακα, το απλό πεδίο βαρύτητας είναι ανεπαρκές καθώς οι αναπτυσσόµενες τάσεις λόγω του ιδίου βάρους είναι σηµαντικά µικρότερες µε αποτέλεσµα τα µοντέλα να συµπεριφέρονται διαφορετικά από τις πρωτότυπες κατασκευές. Προκειµένου να αναπαραχθούν οι τάσεις που δηµιουργούνται λόγω της βαρύτητας µίας πρωτότυπης κατασκευής σε µοντέλο υπό κλίµακα 1/n, είναι απαραίτητο να µελετηθεί το µοντέλο σε ένα πεδίο βαρύτητας n φορές µεγαλύτερο από αυτό της πρωτότυπης κατασκευής. Μέσω των γεωτεχνικών φυγοκεντριστών, δηµιουργείται πεδίο µεγάλης επιτάχυνσης το οποίο και εφαρµόζεται στο υπό εξέταση µοντέλο. Η ιδέα των γεωτεχνικών φυγοκεντριστών εφαρµόσθηκε αρχικά την δεκαετία του 3, από τον P.B. Bucky (1931) και τον G.I. Pokorvsky (1932). Από τότε, πολλοί γεωτεχνικοί φυγοκεντριστές έχουν κατασκευαστεί σε ερευνητικά ινστιτούτα σε όλο τον κόσµο, καθιστώντας την τεχνολογία αυτή ως ένα ισχυρό εργαλείο για την πειραµατική διερεύνηση των γεωτεχνικών κατασκευών. Σχήµα 1. Απεικόνιση της µηχανικής λειτουργίας των δύο τύπων φυγοκεντριστών (Springman et al. 21). Figure 1. Sketch of the mechanics relating to the two types of centrifuges (Springman et al. 21). Οι περισσότεροι γεωτεχνικοί φυγοκεντριστές στον κόσµο είναι φυγοκεντριστές δοκού όπου το µοντέλο τοποθετείται στο καλάθι περιστροφής από τη µία πλευρά του βραχίονα και ισορροπεί µε κάποιο αντίβαρο από την άλλη πλευρά. Το µοντέλο περιστρέφεται καθώς περιστρέφεται ο φυγοκεντριστής µε τις δυνάµεις βαρύτητας να δρουν κάθετα (gravitational forces) και τις κεντροµόλες δυνάµεις οριζόντια (centripetal forces). Αυτή η κατάσταση δηµιουργεί ένα τεχνητό πεδίο επιτάχυνσης (ng field) πάνω στα µοντέλα και οδηγεί σε αύξηση της βαρύτητας τους. Λιγότεροι γεωτεχνικοί φυγοκεντριστές µε τύµπανο χρησιµοποιούνται παγκοσµίως ωστόσο τα πλεονεκτήµατά τους είναι ποικίλα. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήµατα των φυγοκεντριστών µε τύµπανο είναι ότι παρέχουν δυνατότητα πρόσβασης των µοντέλων κατά τη διάρκεια των πειραµάτων χωρίς να διαταχθεί το 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

δείγµα. Για παράδειγµα, η διάταξη εργαλείων που χρησιµοποιούνται για την επιβολή επιπλέον φορτίσεων καθώς και για άλλες δραστηριότητες, µπορεί να µετατραπεί χωρίς να διαταραχθεί το δείγµα καθώς υπάρχει η δυνατότητα να σταµατήσει η περιστροφή τους και να µετακινηθούν ανεξαρτήτως από το τύµπανο του φυγοκεντριστή. Η ευελιξία αυτή των φυγοκεντριστών µε τύµπανο οδηγεί στη µείωση του αριθµού των κύκλων φορτίσεων στους οποίους τα µοντέλα πρέπει να εκτεθούν µεταξύ της 1g και ng φόρτισης. Η µοντελοποίηση γεωτεχνικών κατασκευών σε φυγοκεντριστή καλύπτει σχεδόν όλο το φάσµα των ερευνών σε θέµατα γεωτεχνικής µηχανικής. Ανεξαρτήτως από τα γεωτεχνικά προβλήµατα που πρέπει να διερευνηθούν βασική αρχή στις τεχνικές µοντελοποίησης είναι να συντεθεί το κατάλληλο σύστηµα διεξαγωγής πειραµάτων, στο βέλτιστο δυνατό περιβάλλον ανάλογα µε τις ειδικότερες ανάγκες των πειραµατικών µοντέλων. Προκειµένου να προσοµοιωθούν οι πρωτότυπες κατασκευές θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη συγκεκριµένοι κανόνες κλίµακας. Σύµφωνα µε τις αρχές της µοντελοποίησης σε φυγοκεντριστές, οι τάσεις που αναπτύσσονται στις πραγµατικές γεωτεχνικές κατασκευές µπορούν να αναπαραχθούν σε µικρότερης κλίµακας µοντέλα κλίµακας 1/n, αυξάνοντας το πεδίο της επιτάχυνσης της βαρύτητας σε ng, όπως φαίνεται στο Σχήµα 2 (Laue 22). Επιπλέον, τα υλικά που χρησιµοποιούνται για να κατασκευασθούν τα µοντέλα πρέπει να είναι υπό κλίµακα. Σχήµα 2. Κατακόρυφες τάσεις πρωτότυπης κατασκευής (πάνω). Κατακόρυφες τάσεις (σ v ) µοντέλου υπό κλίµακα για 1g (κάτω αριστερά) και για ng (κάτω δεξιά) (Laue 22). Figure 2. Vertical stresses in a soil model (m) comparing prototype (p) (top) with 1g small scale model (bottom left) and centrifuge model (bottom right) (Laue 22). Τα πειράµατα που παρουσιάζονται στο παρόν άρθρο έχουν υλοποιηθεί στον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή µε τύµπανο διαµέτρου 2.2 m του ΕΤΗ Zurich. 2.2 Αισθητήρες Οπτικών Ινών Η ενόργανη παρακολούθηση της δοµικής ακεραιότητας των τεχνικών έργων (Instrumented Structural Health Monitoring), είναι ένας ταχύτατα αναπτυσσόµενος επιστηµονικός τοµέας και εφαρµόζεται σε κατάσκευές µε µεγάλη οικονοµική σπουδαιότητα, ιστορική σηµασία και µεγάλη επικινδυνότητα. Μία από της σηµαντικότερες µεθόδους ενόργανης παρακολούθησης είναι η εφαρµογή αισθητήρων οπτικών ινών Fiber Bragg Grating (FBG). Ειδικότερα, την τελευταία δεκαετία παρατηρείται η σταδιακή αντικατάσταση των συµβατικών µεθόδων και οργάνων µέτρησης και παρατήρησης µε συστήµατα αισθητήρων οπτικών ινών. Οι αισθητήρες τύπου FBG, ικανοποιούν την συνθήκη του Bragg και συνδυάζουν ακρίβεια µερικών µε (δηλαδή microstrain 1-6 ), εξαιρετική αντοχή σε µηχανικές καταπονήσεις, πολυπλεξία και σχετικά χαµηλό κόστος. Σηµαντικό πλεονέκτηµά τους είναι η δυνατότητα λόγω του µικρού µεγέθους τους να τοποθετούνται σε διάφορες θέσεις σε οποιοδήποτε δόµηµα και ειδικότερα σε κατασκευές µη συµβατικές, καθώς και σε πειραµατικά µοντέλα µικρής ή και µεγαλύτερης κλίµακας προκειµένου να παρέχουν πολύτιµες πληροφορίες για την εντατική κατάσταση αυτών. Ο αισθητήρας Bragg είναι ένα ειδικά επεξεργασµένο τµήµα οπτικής ίνας (<1cm) το οποίο έχει την ιδιότητα σε εισερχόµενη ακτινοβολία ευρέου φασµατος να λειτουργεί σαν οπτικό φίλτρο, αντανακλώντας µια ελάχιστη ποσότητα του ευρυζωνικού σήµατος επιτρέποντας παράλληλα στο υπόλοιπο φως να συνεχίσει την πορεία του µέσα στην ίνα. Αυτή η τροποποιηµένη περιοχή είναι ευαίσθητη στις τάσεις εφελκυσµού και συµπίεσης και στις µεταβολές θερµοκρασίας. Ο αισθητήρας τοποθετείται στις επιθυµητές θέσεις του δοµικού υλικού και µε τη χρήση κατάλληλου εξοπλισµού δίνεται η δυνατότητα να καταγραφεί η µεταβολή του ανακλώµενου µηκους κύµατος σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Αισθητήρες οπτικών ινών τύπου FBG ενσωµατώθηκαν στα οπλισµένα πρανή µε πρωταρχικό στόχο να διερευνηθεί η δυνατότητα χρήσης τέτοιου τύπου µετρητικών 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

διατάξεων σε φυγοκεντριστές. Ειδικότερα, οι αισθητήρες οπτικών ινών χρησιµοποιήθηκαν προκειµένου να καταγραφούν οι αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις για τα διάφορα σενάρια φορτίσεων, δίνοντας χρήσιµες πληροφορίες για την απόκριση των µοντέλων στο εσωτερικό τους. Photograph 1. Reinforced slope during it's construction. 2.3 Πειραµατική ιάταξη - Κατασκευή Μοντέλων Στην παρούσα µελέτη, 15 οπλισµένα πρανή κατασκευάστηκαν µε την ίδια γεωµετρία και στο ίδιο άκαµπτο κουτί (strong box). Οι εσωτερικές διαστάσεις του κουτιού ήταν 4x4mm κατά το µήκος και το πλάτος και 2mm κατά το ύψος. Στην µία από τις κατακόρυφες πλευρές του κουτιού τοποθετήθηκε διαφανής πλάκα από Plexiglas προκειµένου να καταστεί δυνατή η παρατήρηση της συµπεριφοράς των πρανών κατά τη διάρκεια και µετά το πέρας των πειραµάτων. Στη Φωτογραφία 1 παρουσιάζεται ένα από τα µοντέλα στη φάση κατασκευής του και στη Φωτογραφία 2 το τελικό µοντέλο όπως κατασκευάσθηκε µε ενσωµατωµένο κάναββο για την ποσοτικοποίηση των παραµορφώσεων. Το εδαφικό υλικό που χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή των µοντέλων οπλισµένων πρανών είναι άµµος από το Πέρθ της δυτικής ακτής της Αυστραλίας. Πρόκειται για λεπτόκκοκη άµµο µε χαλαρή συνοχή και στρογγυλεµένους κόκκους. Η γωνία χαλαρής απόθεσης της άµµου σε ξηρή κατάσταση κυµαίνεται µεταξύ α=31-33. Η κρίσιµη εσωτερική γωνία τριβής είναι φ=33.τα χαρακτηριστικά των υλικών που προσοµοιώνουν τα στοιχεία του οπλισµού περιγράφονται αναλυτικά στο Καπόγιαννη et al. (21). Φωτογραφία 2. Οπλισµένο πρανές µε ενσωµατωµένο κάναβο. Photograph 2. Reinforced slope with incorporated grid. Στα πιο κατάλληλα από τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν για να προσοµοιώσουν τη συµπεριφορά υπό κλίµακα των οπλισµών τοποθετήθηκαν ενσωµατωµένοι αισθητήρες οπτικών ινών όπως φαίνεται στη Φωτογραφία 3, οι οποίοι και επικολλήθηκαν µε UV κόλα NOA61 (FOS&S, 29) σε διάφορες θέσεις προκειµένου να µετρηθούν ταυτόχρονα οι παραµορφώσεις που παρουσιάστηκαν κατά τα διάφορες φάσεις των φορτίσεων. Όλοι οι αισθητήρες ήταν συνδεδεµένοι σε σειρά και κάθε ένας από αυτούς είχε διαφορετικό µήκος κύµατος προκειµένου να καταγραφούν µετακινήσεις ταυτόχρονα µε το φορητό SE 6 interrogator (FOS&S, 29) που τοποθετήθηκε στο εσωτερικό στον φυγοκεντριστή, µέσα σε ένα άκαµπτο κουτί προκειµένου να αποφευχθούν µετακινήσεις αυτού κατά την αύξηση του πεδίου της βαρύτητας. Φωτογραφία 1. Οπλισµένο πρανές στη φάση κατασκευής του. Φωτογραφία 3. Στρώση οπλισµού υπό κλίµακα µε ενσωµατωµένους αισθητήρες οπτικών ινών. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

Photograph 3. Reinforcement sheet with optical fibre sensors. Στο Σχήµα 3 παρουσιάζονται οι θέσεις που τοποθετήθηκαν οι αισθητήρες οπτικών ινών στα µοντέλα οπλισµένων πρανών. Όπως µπορεί να παρατηρηθεί, τοποθετήθηκαν 2 αισθητήρες οπτικών ινών σε απόσταση 4 cm από την κορυφή του πρανούς κοντά στην αρχή και το τέλος της στρώσης οπλισµού Νο.8 και 3 αισθητήρες οπτικών ινών σε απόσταση 12 cm από την κορυφή του πρανούς κοντά στην αρχή, το µέσο και το τέλος της στρώσης οπλισµού Νο.4. Οι 4 από τους 5 αισθητήρες τοποθετήθηκαν στο µέσο των πρανών σε απόσταση 2cm από τα όρια των άκαµπτων κουτιών, ενώ ο 5ος αισθητήρας τοποθετήθηκε κοντά στην πλάκα από Plexiglass προκειµένου να εντοπισθούν διαφορές στις παραµορφώσεις λόγω των ορίων των µοντέλων. Σχήµα 3. Θέσεις αισθητήρων οπτικών ινών. Figure 3. Location of optical fibre sensors. Για την προσοµοίωση των βραχοπτώσεων στα µοντέλα χρησιµοποιήθηκαν βράχοι υπό κλίµακα, κατασκευασµένοι από ατσάλι και τοποθετήθηκαν σε µια πλατφόρµα µε ενσω- µατωµένο ηλεκτροµαγνήτη (Chikatamarla et al. 26). Η πλατφόρµα περιστρεφόταν κατά τη διάρκεια των πειραµάτων ταυτοχρόνως µε το τύµπανο του φυγοκεντριστή και ο ηλεκτροµαγνήτης συγκρατούσε τους βράχους κατά τη διάρκεια του πειράµατος οι οποίοι και απελευθερώθηκαν την κατάλληλη στιγµή. Ένας σωλήνας χρησιµοποιήθηκε για να καθορισθεί µε ακρίβεια το µονοπάτι που θα ακολουθούσε ο βράχος, εξασφαλίζοντας ορθογώνια επαφή µεταξύ του βράχου και της επιφάνειας του πρανούς καθώς και προκειµένου να διατηρηθεί ο βράχος σε πεδίο βαρύτητας ng. Στη Φωτογραφία 4, παρουσιάζεται ένα από τα µοντέλα οπλισµένων πρανών µέσα στο φυγοκεντριστή µε τη διάταξη της ρίψης βράχων. Φωτογραφία 4. Οπλισµένο πρανές υποβαλλόµενο σε βραχόπτωση. Photograph 4. Reinforced slope subjected to rockfall. Η πειραµατική διάταξη ολοκληρώθηκε µε την τοποθέτηση φωτογραφικής µηχανής υψηλής ταχύτητας της Mikrotron κοντά στα µοντέλα προκειµένου να καταγραφεί η συµπεριφορά τους στις διάφορες φάσεις των φορτίσεων. Οι ψηφιακές φωτογραφίες που ελήφθησαν χρησιµοποιήθηκαν για Particle Imaging Velocimetry (PIV) ανάλυση και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στο Καπόγιαννη et al. (21). Τέλος, µια κάµερα µε λέιζερ τοποθετήθηκε κοντά στην κορυφή των µοντέλων προκειµένου να παρατηρείται η συµπεριφορά τους κατά τη διάρκεια διεξαγωγής των πειραµάτων. Στη Φωτογραφία 5 παρουσιάζεται ένα στιγµιότυπο από την παρακολούθηση των µοντέλων µέσω της κάµερας µε λέιζερ όπου και διακρίνεται ο βράχος που απελευθερώθηκε στην κορυφή του πρανούς. Φωτογραφία 5. Ρίψη βράχου στην κορυφή του οπλισµένου πρανούς. Photograph 5. Rock fall on top of reinforced slope. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

2.4 ιεξαγωγή Πειραµάτων Συνολικά πραγµατοποιήθηκαν 15 πειράµατα µε µέγιστη επιβαλλόµενη επιτάχυνση της βαρύτητας 1g. Στα πρώτα 5 πειράµατα, εξετάσθηκαν όλες οι τεχνικές λεπτοµέρειες των πειραµάτων και έγιναν οι απαραίτητες βελτιώσεις σε διάφορες ατέλειες της πειραµατικής διάταξης. Επιπλέον, µελετήθηκε η συµπεριφορά 4 διαφορετικών υλικών που επιλέχθηκαν προκειµένου να προσοµοιώσουν υπό κλίµακα τις στρώσεις του οπλισµού. Η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε ήταν η εξής: α) απευθείας φόρτιση των µοντέλων από g σε 5g, β) διατήρηση του πεδίου βαρύτητας σε 5g για µικρό χρονικό διάστηµα, γ) απελευθέρωση του βράχου, δ) απευθείας αύξηση του πεδίου βαρύτητας από 5 σε 1g ε) διατήρηση του πεδίου βαρύτητας σε 1g για µικρό χρονικό διάστηµα και τέλος, ζ) απευθείας αποφόρτιση από 1g σε g. 3. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται κάποια από τα αποτελέσµατα των µετρήσεων που πραγµατοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραµάτων µε τους αισθητήρες οπτικών ινών. Στο Σχήµα 4 παρουσιάζεται η µεταβολή των παραµορφώσεων σύµφωνα µε τις µετρήσεις που ελήφθησαν από αισθητήρα τοποθετηµένο στη στρώση οπλισµού Νο.4 (βλέπε Σχήµα 3), για τις διάφορες φάσεις των φορτίσεων και συγκεκριµένα: α) αναλογική αύξηση των παραµορφώσεων για φόρτιση από σε 5g (χρονικό διάστηµα -44sec), β) σταθεροποίηση των παραµορφώσεων για σταθερή φόρτιση 5g (χρονικό διάστηµα 44-48sec), γ) στιγµιαία αύξηση παραµορφώσεων κατά την απελευθέρωση του βράχου (χρονική στιγµή 48 sec), δ) σταθεροποίηση παραµορφώσεων για σταθερή φόρτιση (χρονικό διάστηµα 48-565sec), ε) αναλογική αύξηση παραµορφώσεων για φόρτιση από 5 σε 1g (χρονικό διάστηµα 565-675sec), στ) σταθεροποίηση των παραµορφώσεων για σταθερή φόρτιση 1g (χρονικό διάστηµα 675-84sec), ζ) αποφόρτιση από 1 σε g (χρονικό διάστηµα 84-1535sec). Όπως µπορεί να παρατηρηθεί στο Σχήµα 4, η αύξηση των παραµορφώσεων είναι ανάλογη µε την αύξηση του πεδίου της βαρύτητας και παραµένει σταθερή όταν το πεδίο της βαρύτητας παραµένει σταθερό. Επιπλέον, παρά τη µεγάλη ταχύτητα που είχε ο βράχος κατά την απελευθέρωσή του, ο αισθητήρας οπτικών ινών κατέγραψε την στιγµιαία µεταβολλή των παραµορφώσεων. Πρέπει να επισηµανθεί ότι η πειραµατική διάταξη που δηµιουργήθηκε και ειδικότερα το σύστηµα καταγραφής παραµορφώσεων µε αισθητήρες οπτικών ινών µε ενσωµάτωση του καταγραφέα (data logger - SE 6 interrogator) εφαρµόσθηκε για πρώτη φορά στον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή του ΕΤΗ Zurich. Η απουσία προηγούµενης γνώσης στο θέµα αυτό, οδήγησε κάποιες φορές σε ατελή λειτουργία του συστήµατος και στην ανάγκη για επανάληψη των πειραµάτων. Συγκεκριµένα, λόγω των µεγάλων αναπτυσσόµενων ταχυτήτων στο εσωτερικό του φυγοκεντριστή, παρουσιάστηκαν µικρές µετακινήσεις του καταγραφέα και του συστήµατος σύνδεσης του µε τα πειραµατικά µοντέλα και τον υπολογιστή, µε αποτέλεσµα σε ορισµένες χρονικές στιγµές να µη λαµβάνεται το οπτικό σήµα και να δηµιουργείται ένα κενό στις µετρήσεις. Ένα τέτοιο παράδειγµα φαίνεται στο Σχήµα 4 όπου µεταξύ των χρονικών περιόδων 565 και 575 sec και 1335 145 sec δεν έχουν ληφθεί µετρήσεις. Strain (µε-µstrain) 3 25 2 15 1 5 Strain measurement with optical fibre sensors Layer 5 1 15 2 Time (sec) Σχήµα 4. Αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις µετρούµενες µε αισθητήρα οπτικών ινών. Figure 4. Strains developed measured via optical fibre sensor. Στο Σχήµα 5, παρουσιάζονται οι αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις που καταγράφησαν στην στρώση οπλισµού Νο.4 σε δύο διαφορετικά µοντέλα (Τεστ Νο.6&8) για τις ακόλουθες φάσεις φορτίσεων: α) άυξηση της επιτάχυνσης της βαρύτητας από έως 5g για χρονικό διάστηµα -39 sec (Τεστ Νο.6) και -42 sec (Τεστ Νο.8), β) σταθερή φόρτιση σε 5g για χρονικό διάστηµα 39-6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6

56 sec (Τεστ Νο.6) και 42-48 sec (Τεστ Νο.8), γ) απελευθέρωση του βράχου κατά τις χρο-νικές στιγµές 56 (Τεστ Νο.6) και 48 sec (Τεστ Νο.8) και τέλος δ) σταθερή φόρτιση µετά την απελευθέρωση του βράχου σε σταθµη της επιτάχυνσης της βαρύτητας 5g κατά τη χρονική περίοδο 56-67 sec (Τεστ Νο.6) και 48-56 sec (Τεστ Νο.8). µεγαλύτερες στις στρώσεις των οπλισµών που βρίσκονται στα κατώτερα τµήµατα του πρανούς σε σχέση µε τις αντίστοιχες στα ανώτερα τµήµατα, λόγω του µεγαλύτερου υπερκείµενου βάρους. Η διαφοροποίηση των αναπτυσσόµενων παραµορφώσεων ανάλογα µε τη θέση του αισθητήρα παρουσιάζεται στα Σχήµατα 7 και 8 για το Τέστ Νο. 8. Strain (µstrain) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Maximum g-level: 5 Impact loading: rockfall 2 4 6 Time (sec) Layer 4_Test 8 Layer 4_Test 6 strain (µstrain) 14 12 1 8 6 4 2 Maximum g level:5-5 15 35 55 Time (sec) Test 8-Layer No.4 Test 8-Layer No.8 Test 9-Layer No.8 Test 9-Layer No.4 Σχήµα 5. Αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις στην στρώση οπλισµού Νο.4. Figure 5. Strains developed at reinforcement sheet No.4. Όπως µπορεί να παρατηρηθεί, οι µεταβολλές των παραµορφώσεων στις ίδιες θέσεις των πρανών για δύο διαφορετικά µοντέλα και κάτω από τις ίδιες συνθήκες φόρτισης βρίσκονται σε µεγάλη συµφωνία µεταξύ τους, ενώ οι µικρές αποκλίσεις οφείλονται στο γεγονός ότι παρότι ακολουθήθηκε η ίδια µεθοδολογία κατά την κατασκευή των µοντέλων, κάποιες διαφοροποιήσεις δεν µπόρεσαν να απόφευχθούν. Επιπλέον, οι χρονικές αποκλίσεις κατά την αύξηση των παραµορφώσεων οφείλονται στο γεγονός ότι κατά την υλοποίηση των πειραµάτων οι µεταβολλές των φορτίσεων δεν πραγµατοποιήθηκαν ακριβώς στις ίδιες χρονικές στιγµές. Στο Σχήµα 6 παρουσιάζεται η µεταβολή των παραµορφώσεων µετρούµενη από αισθητήρες σε δύο διαφορετικές θέσεις στα µοντέλα και συγκεκριµένα στη στρώση Νο.4 και στη στρώση Νο.8 του πρανούς (βλέπε Σχήµα 3). Όπως µπορεί να παρατηρηθεί, η αυξηση των παραµορφώσεων είναι ανάλογη µε την αύξηση της επιτάχυνσης της βαρύτητας και λαµβάνει παρόµοιες τιµές για τους αισθητήρες που είναι τοποθετηµένοι στις ίδιες στρώσεις οπλισµού. Επιπλέον, παρατηρείται ότι οι τιµές των παραµορφώσεων για όλες τις στάθµες της επιτάχυνσης της βαρύτητας είναι σηµαντικά Σχήµα 6. Αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις στην στρώσεις οπλισµού Νο.4 και Νο.8. Figure 6. Strains developed at reinforcement sheets No.4 and No.8. Όπως µπορεί να παρατηρηθεί στο Σχήµα 7, η παραµόρφωση της κατώτερης στρώσης είναι έως και 3.3 φορές µεγαλύτερη (για g=17) από την παραµόρφωση της ανώτερης στρώσης, ενώ στη συνέχεια η διαφοροποίηση ελαττώνεται και από ένα σηµείο και µετά σταθεροποιείται σε µεγάλο βαθµό. Επιπλέον, όπως µπορεί να παρατηρηθεί στο Σχήµα 8, το εύρος της διαφοράς της παραµόρφωσης αυξάνει µε την αύξηση της επιτάχυνσης της βαρύτητας και για g>4 σταθεροποιείται. Times larger 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 Strain Difference Between Layer No.8 and No.4 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 g-level Test 8 Σχήµα 7. ιαφοροποίηση παραµορφώσεων µεταξύ των στάθµεων Νο.4 και Νο.8 Figure 7. Strain difference between reinforcement sheets No.4 and No.8. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 7

(strain) 7 6 5 4 3 2 1 Strain Difference Range 1 2 3 4 5 6 g level Test 8 Σχήµα 8. Εύρος διαφοροποίησης παρα- µορφώσεων µεταξύ των στάθµεων Νο.4 και Νο.8. Figure 8. Strains difference on reinforcement sheets No.4 and No.8. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία, µελετήθηκαν µοντέλα οπλισµένων πρανών στον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή του ETH Zurich, ενσω- µατώνοντας αισθητήρες οπτικών ινών. Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε, η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε και η µετρητική διάταξη των αισθητήρων οπτικών ινών, παρουσιάσθηκε και συζητήθηκε. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων που ελήφθησαν δείχνουν ότι οι αισθητήρες οπτικών ινών µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη µέτρηση των αναπτυσσόµενων παραµορφώσεων σε µοντέλα οπλισµένων πρανών σε φυγοκεντριστή και πιθανώς και σε άλλα είδη µοντέλων. Συγκεκριµένα προκύπτει ότι η αύξηση των παρα- µορφώσεων είναι ανάλογη µε την αύξηση του φορτίου που επιβάλλεται από τον φυγοκεντριστή ενώ παραµένει σταθερή όταν η φόρτιση δεν µεταβάλλεται. Επιπλέον, ακόµη και για διαφορετικά µοντέλα οι αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις παρουσιάζουν σηµαντικές οµοιότητες στις ίδιες στάθµες για τις ίδιες φάσεις φορτίσεων. Παρτηρείται ακόµη ότι οι παραµορφώσεις είναι µεγαλύτερες στα κατώτερα στρώµατα των µοντέλων λόγω του αυξηµένου υπερκείµενου βάρους. Τέλος, το φαινόµενο της ρίψης βράχων παρά τη µεγάλη ταχύτητα µε την οποία αναπτύσσεται, µπορεί να γίνει αντιληπτό από τους αισθητήρες των οπτικών ινών. Συµπερασµατικά, η χρήση του συστή- µατος αισθητήρων οπτικών ινών σε φυγοκεντριστή πραγµατοποιήθηκε επιτυχώς για πρώτη φορά στον γεωτεχνικό φυγοκεντριστή του ETH Zurich, και δείχνει ότι µια τέτοια νέα µετρητική διάταξη µπορεί να προσφέρει χρήσιµες πληροφορίες για τις αναπτυσσόµενες παραµορφώσεις στο εσωτερικό των µοντέλων, γεγονός που ενισχύει τα πλεονεκτήµατά της µεθόδου έναντι άλλων µετρητικών µεθόδων. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η έρευνα του πρώτου συγγραφέα υποστηρίζεται από το Geosynthetic Institute στα πλαίσια του προγράµµατος 'GSI Fellowship'. Η διαµονή στο ETH πραγµατοποιήθηκε µέσω υποτροφίας από την επιτροπή FCS της Ελβετικής Κυβέρνησης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Bucky, P.B., 1931. The use of models for the study of mining problems. Technical Publication 425. New York: Am. Inst. Of Min. & Met. Engng. Chikatamarla, R., Laue, J., Springman, S.M., 26. Centrifuge scalling laws for freefall guided events including rockfalls. International Journal of Physical Modelling in Geotechnical Engineering, 2: 14-25. FOS&S, 29. Adhesive NOA 61. http://www.fos-s.be. FOS&S, 29. SE 6 Interrogator Manual. http://www.fos-s.be. Laue, J., 22. Centrifuge Technology. In Springman, S.M. (ed.), Constitutive and Centrifuge Modelling: Two Extremes, Balkema: 75-112. Pokorvsky, G.Y. 1933. On the application of centrifugal forces for modeling earth works in clay. J.Tech. Physics 3: 537-539, Moscow. Springman, S.M., Laue, J., Boyle, R., White, J. & Zweidler, A., 21. The ETH Zurich geotechnical drum centrifuge. International Journal of Physical Modelling in Geotechnical Engineering. 1(1):59-7. Καπόγιαννη, Ε., Laue, J., Σακελλαρίου, Μ., 21. Υπολογισµός παραµορφώσεων µοντέλων οπλισµένων πρανών σε γεωτεχνικό φυγοκεντριστή µέσω ψηφιακών φωτογραφιών και PIV ανάλυση. 6 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής και Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής. Βόλος, Ελλάδα. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 8